何守磊，劉 意，仝 旭，徐凱文，殷 振

(蘇州科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009)

0 引言

我國是一個(gè)機(jī)械制造大國，裝配加工領(lǐng)域十分廣泛，如精密機(jī)床裝配、汽車零部件裝配等。在當(dāng)今智能化制造發(fā)展趨勢(shì)的大背景下，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化與可監(jiān)控化的要求越來越高，自動(dòng)裝配控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣及報(bào)警指示燈模塊的可靠性決定了其動(dòng)作響應(yīng)的及時(shí)性和安全性?？删幊踢壿嬁刂破?PLC)具有高可靠性和強(qiáng)抗干擾能力，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代自動(dòng)化控制的加工生產(chǎn)中。本文設(shè)計(jì)了一種 基于PLC的裝配控制系統(tǒng)，主要完成料倉供料、回轉(zhuǎn)臺(tái)移送、機(jī)械手夾料輸送、報(bào)警及遠(yuǎn)程組態(tài)監(jiān)控功能。

1 裝配控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

本裝配控制系統(tǒng)包括傳感與檢測(cè)裝置(光電傳感器、限位檢測(cè)傳感器)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)(氣缸、導(dǎo)桿、回轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)械手)、電磁閥組單元、接線端口、支撐單元等，整體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 裝配控制系統(tǒng)控制流程

裝配控制系統(tǒng)控制流程如圖2所示。初始狀態(tài)為各氣缸均處于復(fù)位狀態(tài)，裝配臺(tái)工件檢測(cè)處于低電平狀態(tài)，零件有無和不足檢測(cè)傳感器均處于高電平狀態(tài)，機(jī)械手爪松開并等待輸送原材料，接線端口通電并與西門子PLC連接。

圖2 裝配控制系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行初始步復(fù)位操作，完成后開始執(zhí)行落料單元的落料動(dòng)作；落料動(dòng)作完成后，執(zhí)行回轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移原材料動(dòng)作，回轉(zhuǎn)到位，準(zhǔn)備執(zhí)行下一順控步；機(jī)械手在升降氣缸的驅(qū)動(dòng)下，下降到指定位置抓取工件，延時(shí)后上升；接下來進(jìn)行選擇判斷，確定順序執(zhí)行下一動(dòng)作或延時(shí)等待；最后完成機(jī)械手裝配零件動(dòng)作，若零件原材料充足，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至初始步，執(zhí)行下一周期裝配任務(wù)，若零件不足或無零件，則執(zhí)行報(bào)警單元功能。

3 裝配控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

裝配控制 系統(tǒng)硬件主要由落料單元、回轉(zhuǎn)單元、機(jī)械手輸送單元、氣動(dòng)控制回路和I/O分配共五部分組成。

3.1 落料單元

落料單元的作用是提供待裝配原料，并通過光電傳感器來判斷待裝配原料是否充足或有無。若原料不足或已耗盡，系統(tǒng)將會(huì)通過報(bào)警信號(hào)燈的不同閃爍方式來提醒工作人員及時(shí)加料。裝配臺(tái)落料機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示，料倉中的芯料在重力的作用下下落在檔料氣缸的擋料塊上，此時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)頂料氣缸，頂住擋料塊上的工件不下落； 之后，擋料氣缸動(dòng)作，擋料塊上的工件自然下落至物料回轉(zhuǎn)臺(tái)中，等待被回轉(zhuǎn)單元轉(zhuǎn)送至機(jī)械手單元下方； 系統(tǒng)檢測(cè)到原料已掉落至回轉(zhuǎn)臺(tái)后，首先復(fù)位擋料氣缸至初始位置，準(zhǔn)備繼續(xù)擋料任務(wù)，然后復(fù)位頂料氣缸，使其余原料繼續(xù)下落至檔料塊上，等待下一周期供料任務(wù)。

圖3 裝配臺(tái)落料機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 回轉(zhuǎn)單元

零件從落料單元進(jìn)入回轉(zhuǎn)(如圖4所示)單元料盤1后，回轉(zhuǎn)單元的光電傳感器將接收到的物料信息傳遞給PLC，PLC通過短暫延時(shí)操作后，置位擺動(dòng)氣缸，使料盤1由圖4所示位置轉(zhuǎn)移到料盤2位置，即機(jī)械手輸送單元正下方； 同樣的，光電傳感器2通過輸入模塊，將零件已轉(zhuǎn)移至料盤2的信息傳遞給PLC，準(zhǔn)備啟動(dòng)機(jī)械手輸送單元進(jìn)行夾料輸送任務(wù)； 待機(jī)械手夾料完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)復(fù)位擺動(dòng)氣缸，回到初始位置，等待下一次回轉(zhuǎn)輸送任務(wù)。

圖4 裝配臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

3.3 機(jī)械手輸送單元

機(jī)械手輸送單元(如圖5所示)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾料與放料動(dòng)作、機(jī)械手上下移動(dòng)和機(jī)械手前后移動(dòng)三種輸出動(dòng)作。當(dāng)裝配臺(tái)檢測(cè)到物料后，機(jī)械手輸送單元的動(dòng)作流程是：機(jī)械手下行到位夾取待裝配零件—機(jī)械手上升到位—機(jī)械手前行到位—機(jī)械手下行到位—機(jī)械手爪松放料—機(jī)械手復(fù)位，等待下一循環(huán)周期任務(wù)。

3.4 氣動(dòng)控制回路

氣動(dòng)控制回路由頂料氣缸、擋料氣缸、手爪伸出氣缸、手爪提升氣缸、擺動(dòng)氣缸和手指氣缸共六個(gè)兩位五通單電控電磁換向閥組成，如圖6所示。

圖5 裝配臺(tái)機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意圖

圖6 氣動(dòng)控制回路

3.5 I/O口分配表

裝配控制系統(tǒng)采用西門子S7-200-226 CN的PLC，PLC主要控制對(duì)象為6個(gè)輸出電磁閥及3個(gè)報(bào)警指示燈，采用雙作用氣缸并以單向節(jié)流閥進(jìn)行控制。裝配站PLC的I/O分配見表1。

表1 裝配站PLC的I/O分配

4 裝配控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于PLC的裝配系統(tǒng)采用西門子STEP-Micro /WIN4.0編程軟件編輯PLC的梯形圖程序，通過PPI通信協(xié)議，借助PLC的RS485通信口將程序存放于存儲(chǔ)器中，其機(jī)械手抓件順控步和機(jī)械手爪下移動(dòng)作控制程序如圖7、圖8所示。裝配系統(tǒng)裝配過程如圖9所示。

5 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)軟件為裝配站的開發(fā)拓展打下了基礎(chǔ)，給今后裝配站遠(yuǎn)程監(jiān)控及性能優(yōu)化提供了更加有效的思路。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，裝配控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)靈活準(zhǔn)確、執(zhí)行速度快、報(bào)警提示及時(shí)、精準(zhǔn)度高，完全達(dá)到了預(yù)期的控制效果，具有廣泛推廣、應(yīng)用價(jià)值。

圖7機(jī)械手抓件順控步圖8機(jī)械手爪下移動(dòng)作

圖9 裝配系統(tǒng)裝配過程